تتميّز سيراميك أكسيد الزركونيوم بخصائص فريدة تجعلها مناسبة للغاية لمجموعة واسعة من التطبيقات. ومع ذلك، يجب مراعاة أن مجالات الاستخدام المختلفة تتطلب تعديلات متنوعة على سيراميك أكسيد الزركونيوم، والتي سيتم توضيحها لاحقًا. فيما يلي أهم الخصائص العامة لسيراميك أكسيد الزركونيوم:
مقاومة عالية للكسر:
صلابة عالية:
الثبات الحراري:
التوصيل الأيوني:
موصلية حرارية منخفضة:
التوافق الحيوي:
الخمول الكيميائي:
قوة تحمل عالية:
الخصائص الجمالية:
هذه الخصائص تجعل سيراميك الزركونيا مادة متعددة الاستخدامات وقيّمة للعديد من الصناعات، بدءًا من الغرسات الطبية وصولًا إلى تطبيقات الأفران عالية الحرارة. ومن بين التطبيقات الشائعة لها حسب نوع التثبيت:
المكونات المقاومة للتآكل:
صلابة الزركونيا ومقاومتها العالية للتآكل تجعلها مثالية للمكونات المعرضة لظروف كاشطة، مثل أختام المضخات، ومقاعد الصمامات، والمحامل.
تطبيقات درجات الحرارة العالية:
مقاومة الزركونيا لدرجات الحرارة العالية تجعلها مناسبة للبطانات المقاومة للحرارة، والطلاءات العازلة للحرارة، ومواد العزل للأفران.
أدوات القطع:
إن الجمع بين الصلابة والمتانة في سيراميك الزركونيا يجعلها الأنسب لأدوات القطع، وخاصةً لتصنيع المواد الصلبة.
زراعة الأسنان والأطراف الاصطناعية:
يُستخدم الزركونيا على نطاق واسع في ترميمات الأسنان، بما في ذلك التيجان والجسور والغرسات، نظرًا لتوافقه الحيوي ومتانته ومظهره الجمالي.
غرسات العظام:
تُستخدم سيراميكات الزركونيا في غرسات العظام، مثل استبدال مفصل الورك والركبة، نظرًا لمقاومتها للتآكل وتوافقها الحيوي.
خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFCs):
تُعدّ سيراميكات الزركونيا مكونات أساسية في خلايا وقود الأكسيد الصلب، مما يُتيح توليد طاقة بكفاءة وانبعاثات منخفضة.
مستشعرات الأكسجين:
تُستخدم الزركونيا في مستشعرات الأكسجين في تطبيقات السيارات والتطبيقات الصناعية نظرًا لموصليتها الأيونية العالية.
مكونات الساعات:
تجعل متانة الزركونيا وخصائصها الجمالية مناسبة لمكونات الساعات الفاخرة.
تثبيت سيراميك الزركونيا:
Y-TZP (زركونيا مُثبّتة بالإتريوم)
ومع ذلك، فإن أحد القيود المهمة لمادة Y-TZP هو قابليتها للتحلل في درجات الحرارة المنخفضة، وخاصةً في نطاق 100 إلى 400 درجة مئوية. فالتعرض المطول لهذا النطاق من درجات الحرارة قد يُحدث انتقالًا طوريًا متساوي الحرارة من طور رباعي الزوايا (t) إلى طور أحادي الميل (m)، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في الخواص الميكانيكية – وهي ظاهرة تُعرف باسم الشيخوخة في درجات الحرارة المنخفضة. ويكون تأثير الشيخوخة هذا أكثر وضوحًا بين 200 و300 درجة مئوية، ويزداد تسارعًا في البيئات الرطبة أو المائية.
Mg-PSZ (زركونيا مغنيسيا مثبتة جزئيًا)
Ce-TZP (زركونيا مثبتة بالسيرا)
بالمقارنة مع Y-TZP، يُظهر Ce-TZP متانة أعلى للكسر ومقاومة مُحسّنة للشيخوخة الحرارية المائية في درجات الحرارة المنخفضة. ومع ذلك، يتميز بصلابة وقوة أقل. Ce-TZP حساس لظروف التلبيد، حيث يمكن أن تُسبب أجواء الاختزال خشونة الحبيبات، مما يؤثر سلبًا على خصائصه الميكانيكية. تشير الأبحاث إلى أن أقصى قوة انثناء لـ Ce-TZP حيث تصل إلى 800 ميجا باسكال عندما تتراوح النسبة الذرية لثاني أكسيد السيريوم بين 10% و20%. ترتبط الخصائص الميكانيكية لسيراميك Ce-TZP ارتباطًا وثيقًا بحجم الحبيبات، حيث تُعزز الحبيبات الأكبر حجمًا تحولًا طوريًا أفضل عند أطراف الشقوق، مما يُعزز المتانة. لذا، يعتمد التحضير الفعال لسيراميك Ce-TZP على التحكم الدقيق في نمو حبيبات البلورة لتحقيق الأداء الميكانيكي الأمثل.